微型计算机AD转换实验报告Word格式文档下载.docx
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1．C8051F060概述
C8051F060是一个高性能数据采集芯片。
芯片内集成了：
（1）与8051兼容的内核：
额定工作频率25MHz，流水线指令结构，70%的指令的执行时间为一个或两个系统时钟周期。
5个通用16位定时器∕计数器，59条可编程的I/O线，22个中断源（2个优先级）。
（2）模拟I/O：
C8051F060的DC子系统包括两个1Msps、16位分辨率的逐次逼近寄存器型DC，DC中集成了跟踪保持电路、可编程窗口检测器和DM接口；
两个12位电压输出DC转换器，用于产生无抖动的波形。
内部电压基准，精确的VDD监视器和欠压监测器。
（3）存贮器：
64KB片内闪速/电擦除程序存贮器（EEPROM）,4KB片内数据存贮器（SRM）。
（4）片内其它外围：
2个URT串行I/O,SPI串行I/O，专用的看门狗定时器，电源监视器，温度传感器，内部可编程振荡器3~24.5MHz或外接震荡器。
（5）供电电压：
2.7V–3.6V，多中节电和停机方式。
2．实验设备中的模拟量输入通道
（1）主要功能：
同意－10V～＋10V信号输入，而至C8051F060引脚DC的信号则被
限制在要求的0V～＋3V（芯片基准电压为＋3.0V）。
（2）模拟量输入通道基本电路：
见图1.1
由一个偏移电路环节（＋3V）与放大器电路环节组成。
图1.1
（3）模拟量输入通道输入端口：
实验箱面板上，有模拟量输入通道输入端口I1～I8。
数据采集系统主要完成模拟量采集、模数转换、数模转换和模拟量输出（零阶保持器）等功能。
而数据处理与显示，包括有关信号发生、数字滤波、数字操纵与虚拟仪器等功能则通过上位机实现。
系统通过/D变换器对模拟信号进行/D转换，转换后的值通过USB2.0口通讯传至上位机，由上位机软件显示；
将欲转换的数字量送至D/变换器还原成模拟量。
本系统中16位/D，D/为12位，可以通过LbVIEW程序编程设置取得其他较低的转换精度以达到实验目的。
有关C8051F060与上位机构成系统的具体使用方法，特别是有关上位机用户界面上的操作，请参阅“计算机操纵上位机程序使用说明书”。
6．软件编程实现测试信号发生
在上位机软件留给用户的编程接口中，编程实现典型信号的发生如正弦信号，周期方波信号，周期锯齿波信号，周期抛物线信号。
（1）正弦信号
sin（）ytω?
=+，2Tπ
ω
=
（2）方波
（3）锯齿波
（4）抛物线
1100tTyTtT≤?
?
其中（）（）PukPek=
（）
（1）（）IIukukIek=-+
（）[（）
（1）]DukDekek=--
4．数字PID操纵器的参数整定
（1）按扩充阶跃响应曲线法整定PID参数
在模拟操纵系统中，参数整定方法较多，常用的实验整定方法有：
临界比例度法、阶跃响应曲线法、试凑法等。
数字操纵时也可采纳类似方法，如扩充的临界比例度法、扩充的阶跃响应曲线法与试凑法等等。
下面简要介绍扩充阶跃响应曲线法。
扩充阶跃响应曲线法只适用于含多惯性环节的自平衡系统。
用扩充响应曲线法整定PID参数的步骤如下：
（）数字操纵器不接入操纵系统，让系统处于开环工作状态下，将被调量调节到给定值附近，并使之稳定下来。
（b）记录被调量在阶跃输入下的整个变化过程曲线如图4.3所示。
（c）在曲线最大斜率处做切线，求得滞后时间τ，被控对象时间常数τT以及它们的比值ττ/T，查表4-1操纵器的Kp，Ki，Kd及采样周期T。
（d）在运行中，对上述参数作适当调整，以获得中意的性能。
4-1
扩充响应曲线法通过测取阶跃响应曲线的τ，Tτ参数获得一个初步的PID操纵参数，然后在此基础上通过部分参数的调节（试凑）获得中意的操纵性能。
参数对性能的影响参见
（2）。
（2）PID参数对性能的影响
增大比例系数Kp一般将加快系统的响应，在有静差的情况下有利于减小静差。
但过大会使系统有较大的超调，并产生振荡，使系统稳定性变坏。
增大积分时间Ti有利于减小超调，减小振荡，使系统更加稳定，但系统静差的消除将随之减慢。
增大微分时间Td有利于加快系统响应，使超调量减小，稳定性增加，但系统对扰动的抑制能力减弱，对扰动有较敏感的响应。
五．实验结果
图3.1PID操纵输出的阶跃响应
实验四最少拍操纵算法的研究
1．学习并掌握最少拍操纵器的设计和实现方法，并研究最少拍操纵系统对三种典型输入的适应性及输出采样点间的纹波。
2．学习并掌握最少拍无纹波操纵器的设计和实现方法，并研究输出采样点间的纹波消除以及最少拍无纹波操纵系统对三种典型输入的适应性。
1．设计并实现对象具有一个积分环节的二阶系统的最少拍操纵，并通过混合仿真实验研究该闭环操纵系统对三种典型输入的适应性以及输出采样点间的纹波。
2．设计并实现对象具有一个积分环节的二阶系统的最少拍无纹波操纵，并通过混合仿真实验观察，该闭环操纵系统输出采样点间纹波的消除，以及系统对三种典型输入的适应性。
1．设计并连接模拟由一个积分环节和一个惯性环节组成的二阶被控对象的电路，并利用C8051F060构成的数据处理系统完成计算机操纵系统的模拟量输入、输出通道的设计和连接。
2．利用上位机的虚拟仪器功能对此模拟二阶被控对象的电路进行测试，分别测取惯性环节的放大倍数、时间常数以及积分环节的积分时间常数。
在上位机完成阶跃输入下最少拍操纵计算与实验结果显示、记录。
先完成阶跃输入下最少拍操纵器的参数设计和调试，然后再用另外两种典型信号（等速与等加速）作为系统输入，观察系统输出并记录。
3．在上位机完成阶跃输入下最少拍无纹波操纵器的计算与实验结果显示、记录。
先完成阶跃输入下最少拍无纹波操纵器的参数设计和调试，然后再用另外两种典型信号（等速与等加速）作为系统输入，观察系统输出并记录。
4．对记录的实验结果进行分析，写出实验报告。
是变成一个惯性环节
21Ts+，同
（1）法测取2T，2220.63（）
y=∞，2T即积分时间常数。
（3）系统K的确定
于是对于式（7－1）中的K，有1
2
KKT=
。
3．等速输入下最少拍操纵器的设计及其对其它典型输入的适应性
见图7.2，对实验系统来说，加零阶保持器后对象的S传递函数为
11（）
（1）
TseK
GsssTs--=
+（7－2）选择采样操纵T，将上述S传递函数离散化，可得到加零阶保持器后对象的Z传递函数
1111///12
1111/1
1（）（）（）
（1）
（1）
TTTTTTTTTTTezTTeTezGzKzez---------++--=--（7－3）考虑等速输入下最少拍无差条件,可以得到
11（）
（2）zzzφ--=-（7－4）
121（）
（1）zzφ--=-（7－5）
所以有1
/1111（）1（）
（2）
（1）
（）（）（）1（）
（1）
（1）TTUzzzezDzEzGzzKzBzφφ-------===--+1
1
//1212
12（12）1
（1）TTTTezezKBzBz-------++=+--（7－6）其中1/11TT
TTeT-=+-，1
1//11（）/TTTTBTTe
Te--=--
由此可得等速输入下最少拍算法：
//2
（）
（1）
（1）
（2）（）12
（1）
（2）TTTTukBukBukekK
ee
ekekK
K
--=--+-+
+-
-+
-（7－7）
按等速输入下最少拍无差系统设计的操纵器，在等速输入下可使闭环系统的输出在第二拍（即两个采样周期）跟上，此后在采样点上达到无差，见图7.3b）。
对等加速输入来说，系统出现稳态误差，其稳态的输出误差值为2
1T=，见图7.3c）。
对阶跃输入来说，虽然输出在第二拍开始也达到无差，但在输出的第一拍出现了100%的超调，见图7.3）。
4．等速输入下最少拍无纹波操纵器的设计及其对其它典型输入的适应性
按最少拍无差系统设计，最多只能达到采样点上无偏差，而不能保证采样点间无纹波。
最少拍无纹波设计，不仅要做到采样点上无偏差，而且要做到采样点间无纹波。
已经得到实验系统的加零阶保持器后对象的Z传递函数，如式（7－3）所示。
根据等速输入下最少拍无纹波条件，可以得到
11112（）
（1）（）zBzzzφ---=++（7－8）1211（）
（1）
（1）zzbzφ---=-+
（7－9）
两式联立求解确定12,,b，取有123221BBB+=
++，22（21）21BBB-+=++，2
（21）
21
BBbBB+=++所以有1/111211
（）1（）
（1）（）
（）（）（）1（）
（1）
（1）
TTUzzezzDzEzGzzKzbzφφ------+===--+11//12
121212
1（）1
（1）TTTTezezKbzbz------+--=+--
（7－10）
由此可得等速输入下最少拍无纹波算法
111
//212（）
（1）
（1）
（2）（）
（1）
（2）
TTTTukbukbukekK
eeekekKK
-+---（7－11）
在不同典型输入下，按等速输入下最少拍无纹波条件设计系统的时域响应如图7.4）,b）,c）所示。
按等速输入下最少拍无纹波条件设计的系统与按等速输入下最少拍无差条件设计的系统相比较，可见：
（1）在等速输入下，最少拍无纹波系统不仅做到采样点上无偏差，而且能做到采样点间无纹波。
但是，其过渡过程比最少拍无差系统延长了一拍。
（2）最少拍无纹波系统只在纹波问题上有改进，在对输入的适应性上，和最少拍无差系统一样，没有改善。
图4.1最小拍操纵的输出阶跃响应
实验心得：
微型计算机操纵技术的实验一共包括四个实验部分，即/D与D/转换、数字滤波、数字PID操纵算法的研究、最少拍操纵算法的研究。
实验操作对象为集成了相关芯片和信号发生器的实验XX加上与之配套的LBVIEW软件系统。
通过四个实验，我们对数据采集系统结构和操纵算法的整定有了一定了解。
实验一/D与D/转换：
我们利用实验XX产生函数信号，/D芯片采集信号，然后通过通讯结构传至计算机，最后LBVIEW相应是示波模块把信号显示出来。
同时，我们还利用LBVIEW软件产生函数信号，利用D/芯片转换为模拟信号，再通过以上路径传至计算机显示波形。
实验二数字滤波：
信号发生采集原理同实验一。
不同的是我们在发生信号中加入了噪声，然后调整LBVIEW的滤波模块的参数对采集的信号滤波，通过计算机同时显示了原信号以及滤波后的信号。
实验三数字PID操纵算法的研究：
利用LBVIEW自带的PID数字算法模块，整定比例系数KD、积分时间常数TI和微分时间常数TI，观察输出信号对节约输入信号的跟踪情况。
实验中我们采纳的整定方法为经验整定法。
实验四最少拍操纵算法的研究：
利用LBVIEW自带的最少拍操纵算法模块，通过整定相关参数，验证了最少拍有波纹算法和最少拍无波纹算法。
通过以上四个实验我们有不少收获，实际操作了虚拟仪器软件LBVIEW，了解/D、D/的作用，观察了数字滤波的效果，深化了对PID算法和最小拍算法的认识和整定方法。
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